基于鎖相環(huán)的低頻正弦波發(fā)生器設(shè)計(jì)

　　正弦波發(fā)生器的應(yīng)用很廣泛，但是適合于低頻范圍內(nèi)的高穩(wěn)定度正弦波電路比較少。表1是幾種主要的正弦波產(chǎn)生方法的比較。

　　從表1中可知，僅采用某一種正弦波產(chǎn)生方法很難實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定的低頻正弦波發(fā)生器。本文嘗試采用鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定的低頻正弦波發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，給出了一種基于MC145151-2和ICL8038芯片的低頻鎖相環(huán)函數(shù)發(fā)生器。這種低頻鎖相環(huán)函數(shù)發(fā)生器的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度與基準(zhǔn)頻率相當(dāng)，不產(chǎn)生額外的誤差。

　　壓控波形發(fā)生器與鎖相環(huán)電路

　　ICL8038是現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛的一種單片集成壓控波形發(fā)生器，在0.01～300kHz的范圍里可以同時(shí)產(chǎn)生正弦波、矩形波和三角波。使用時(shí)只需外接少量電阻、電容元件就可以作為壓控振蕩器、調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器或單片函數(shù)發(fā)生器。其輸出電平特性為:方波0.2V_supply(2mA)；三角波幅度為0.33V_supply，輸出阻抗為200Ω(5mA)；正弦波幅度為0.22V_supply，輸出阻抗典型值為1kΩ。

　　MC145151-2是MC145151-1的性能改進(jìn)產(chǎn)品，功耗降低而ESD和鎖定性能則大有改進(jìn)。MC145151-2分別用14條和3條并行輸入數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)N計(jì)數(shù)器和R計(jì)數(shù)器編程。本器件集成了參考振蕩器、可選參考頻率分頻器、數(shù)字相位鑒相器和14位可編程的除N計(jì)數(shù)器。

　　該芯片具有以下特點(diǎn)：由于采用 CMOS工藝而具有低功耗，電壓范圍為3～9V；具有片上或離片參考振蕩器的操作條件；有兩路鑒相信號(hào)輸出，其中PD_out是鑒相器A的輸出，ФR、ФV是鑒相器B的輸出，是鑒相誤差信號(hào)，LD用來(lái)輸出相位鎖定信號(hào)；除N的范圍為3～16383；8個(gè)用戶可選的除R值分別為8、128、256、512、1024、2048、4096和8192，分別對(duì)應(yīng)RA2~RA0從000到111的8個(gè)狀態(tài)。

　　正弦波發(fā)生器設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的電路主要由一個(gè)基本鎖相環(huán)和產(chǎn)生參考頻率的電路兩部分組成，原理框圖如圖1所示。其基準(zhǔn)頻率通常由相對(duì)頻率穩(wěn)定度為10^-6的晶體振蕩器產(chǎn)生，經(jīng)R倍分頻后提供適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)頻率。虛線框中的電路是頻率合成器的核心部分即鎖相環(huán)，由鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器等組成。系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為f_out=(N/R)f_in，改變分頻比N可以方便地獲得大量離散頻率的輸出信號(hào)。

　　這里的鎖相環(huán)與典型的高頻鎖相環(huán)電路相比有兩處改動(dòng)：一是添加了鑒相器前的晶振整形和分頻電路，采用該電路是為了獲得低頻率的基準(zhǔn)信號(hào)；二是壓控振蕩器選擇了工作在低頻范圍內(nèi)的器件，這是低頻率的基準(zhǔn)信號(hào)要求的。

　　在如圖2所示的電路中，晶振選用2MHz的溫度補(bǔ)償晶體，它的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10^-8,選擇鑒相器A或鑒相器B均可。本文選用鑒相器A，PD_out輸出接一個(gè)RC濾波器。若選用鑒相器B，Ф_r和Ф_V輸出接有源低通濾波器。MC145151-2的LD用來(lái)指示回路鎖定，外接一個(gè)LED，出現(xiàn)失鎖時(shí)該LED將閃爍。圖2中的振蕩器部分采用了MC145151-2的片上振蕩形式，兩個(gè)電容分別為39P和27P。MC145151-2的固定分頻器分頻系數(shù)選擇為8192，2M信號(hào)經(jīng)分頻后是244.14Hz，將該信號(hào)作為基準(zhǔn)頻率輸入鑒相器。振蕩器也可以選擇離片形式，還可以增加分頻系數(shù)以進(jìn)一步降低基準(zhǔn)頻率。具體電路如圖2所示,兩個(gè)電阻都是1kΩ，電容為0.01μF的獨(dú)石電容。基于鎖相環(huán)的低頻正弦波發(fā)生電路如圖3所示。

　　電路調(diào)試

　　鎖相環(huán)電路調(diào)試比較麻煩，很容易失鎖，在實(shí)現(xiàn)本電路的過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題：

1. MC145151-2中的除R分頻器在片內(nèi)已內(nèi)接了上拉電阻，所以RA0～RA1置“1”時(shí)只需懸空，不可接高電平。
   
2. ICL8038的方波輸出要加上拉電阻，若要與TTL電平兼容，必須接+5V。MC145151-2對(duì)輸入的電平有要求，在+5V電源條件下，輸入方波的高電平不能超過(guò)+5V，低電平不能低于+1.5V。
   
   
   
3. MC145151-2鑒相輸出電壓與ICL8038控制電平的匹配，這是整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)中比較重要的問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題，把ICL8038接成直流電源分壓控制的函數(shù)發(fā)生電路。ICL8038的電壓控制范圍是2/3(|VCC|+|-VEE|)+2V＜V＜|VCC|+|-VEE|。用一個(gè)可變電阻改變分壓比，觀察ICL8038的輸出頻率，發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)的頻率隨控制電壓的升高而降低。在±6V電源、CT=4700P、RT=4.7K的條件下，控制電壓為+2.6V(相對(duì)于-VEE為8.6V)時(shí)輸出頻率是11.48kHz；在控制電壓為+5.6V(相對(duì)于-VEE 為11.6V)時(shí)輸出頻率是182Hz，電壓再高將出現(xiàn)波形失真。
   
4. MC145151-2的鑒相輸出經(jīng)過(guò)濾波后的直流電平為+2V至+3V之間，可以控制ICL8038，但是電壓變化范圍太小，能控的頻點(diǎn)有限，因此必須加放大器。而且，直接用濾波輸出電壓控制ICL8038將很難調(diào)整到MC145151-2能鎖定的幾個(gè)頻點(diǎn)。圖3中U2是放大器，U1是跟隨器，采用跟隨器是由于OP07的輸入阻抗不夠大，如果直接把濾波后的電壓接入放大器，電壓將跌為零,放大器沒(méi)有輸出，必須要加一級(jí)跟隨器進(jìn)行阻抗匹配。
   
5. 放大器U2放大倍數(shù)的選擇。由于濾波輸出電壓已落在控制范圍內(nèi)，只是變化范圍比較小，放大倍數(shù)選得太大將會(huì)超出ICL8038的最高控制電平，從而造成MC145151-2失鎖；但是太小的話，變化范圍又不夠，與直接用濾波電壓沒(méi)什么區(qū)別。圖中所選3K和5K電阻是反復(fù)試驗(yàn)后的結(jié)果。
   
6. ICL8038振蕩電容的選擇。在RT=4.7K、CT=4700P的條件下， PLL電路的頻率變化范圍在8.301K～15.381K之間，低于8.301K仍有波形，但是這時(shí)已趨于失鎖的邊緣，穩(wěn)定度不夠理想。若要產(chǎn)生頻率范圍更大信號(hào)就需要更換電容，改變頻段。圖3所示的電容可以產(chǎn)生100Hz～100kHz的輸出信號(hào)。